CFD在提高部分負(fù)荷冷凝器性能上的應(yīng)用

  CFD在提高部分負(fù)荷冷凝器性能上的應(yīng)用
                            丁漢新 姜曉東
           (江森自控樓宇設(shè)備科技(無(wú)錫)有限公司,江蘇無(wú)錫　214028)
    摘　要：采用CFD的方法,研究了風(fēng)冷冷水機(jī)組用多風(fēng)機(jī)微通道式冷凝器在部分負(fù)荷運(yùn)行的空氣側(cè)流場(chǎng)分布特性,提出了優(yōu)化部分負(fù)載時(shí)冷凝器性能的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。研究表明,采用“V”型隔板的獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)可以明顯的提高冷凝器表面的氣流分布均勻性,提高迎面風(fēng)速,避免氣流短路。有效的降低部分負(fù)荷時(shí)風(fēng)冷冷凝器的冷凝壓力,進(jìn)而提高部分負(fù)荷時(shí)風(fēng)冷冷水機(jī)組的性能。
    關(guān)鍵詞：風(fēng)冷冷水機(jī)組;微通道冷凝器;CFD;部分負(fù)荷
    中圖分類號(hào)：TB65　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　　　
    文章編號(hào)：1005—0329(2010)05—0081—04
    1·前言
    風(fēng)冷冷水機(jī)組作為中央空調(diào)的制冷主機(jī),大量的使用于賓館、酒店、商場(chǎng)、辦公樓等場(chǎng)合,提供用冷需求。因其采用空氣側(cè)為散熱源,無(wú)需冷卻塔、冷卻水泵以及配套的管路,使得現(xiàn)場(chǎng)施工和安裝方便。
    目前市場(chǎng)上的風(fēng)冷冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)多采用上下布置的形式,即壓縮機(jī)、殼管式換熱器、油分等部件置于機(jī)組的下部;而作為冷凝器的翅片管換熱器或者微通道換熱器,則通常采用“V”形的組合形式,置于機(jī)組上部。
    通常情況下,機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷較大時(shí),冷凝器風(fēng)機(jī)會(huì)全部打開(kāi),此時(shí),吸入的空氣將全部流過(guò)冷凝器,充分換熱以后,再隨風(fēng)機(jī)排出;而當(dāng)機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),其中的部分風(fēng)機(jī)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,此時(shí),氣流將有可能從靜止的風(fēng)機(jī)口,被吸入機(jī)組內(nèi)部,由于這部分短路的氣流沒(méi)有參與換熱,從而影響了冷凝器的性能。
    本文嘗試采用“V”型隔板的獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì),改善冷凝器周圍的空氣流動(dòng),阻斷部分負(fù)荷時(shí)的空氣短路流,并采用CFD流場(chǎng)分析和換熱器計(jì)算軟件結(jié)合的方法,研究其對(duì)部分負(fù)荷時(shí)機(jī)組性能的影響。
    2·CFD流場(chǎng)分析
    2. 1　計(jì)算模型
    分析的風(fēng)冷冷水機(jī)組模型如圖1所示,整個(gè)機(jī)組的冷凝器由6個(gè)相同的“V”形微通道換熱器單元組成,每個(gè)“V”對(duì)應(yīng)有兩片結(jié)構(gòu)完全相同的微通道換熱器和兩個(gè)并列的軸流風(fēng)機(jī),“V”形隔板的位置位于兩個(gè)風(fēng)機(jī)的中心,見(jiàn)圖1(b)。
              
    考慮到機(jī)組中6個(gè)“V”形結(jié)構(gòu)完全相同,且相互獨(dú)立,因此計(jì)算中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,選取了其中的一個(gè)“V”形結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算,并且將計(jì)算區(qū)域往外作了擴(kuò)大,以更準(zhǔn)確的模擬外界大氣被吸入機(jī)組的情況,計(jì)算模型如圖2所示。對(duì)以下兩個(gè)方案在部分負(fù)荷工況下(1號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行, 2號(hào)風(fēng)機(jī)關(guān)閉)的微通道冷凝器周圍的流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。
    2. 2　湍流模型和邊界條件
    采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型來(lái)求解湍流問(wèn)題,計(jì)算中主要的邊界條件設(shè)定如下:
    (1)計(jì)算區(qū)域內(nèi)空氣的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流,空氣取常溫下物性;
    (2)壁面都采用無(wú)滑移的絕熱邊界條件,近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);
    (3)機(jī)組四周和頂部被定義為壓力邊界條件,并且認(rèn)為周圍環(huán)境無(wú)風(fēng);
    (4) 1號(hào)風(fēng)機(jī)采用風(fēng)機(jī)模型代替軸流風(fēng)機(jī),其特性曲線如圖3(a)所示; 2號(hào)風(fēng)機(jī)處定義為多孔介質(zhì)模型,以模擬其被流動(dòng)空氣帶動(dòng)反轉(zhuǎn)時(shí)的阻力;
    (5)機(jī)組中的微通道冷凝器采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,其阻力與速度的關(guān)系曲線取自微通道設(shè)計(jì)軟件,如圖3(b)所示。
              
    2. 3　計(jì)算結(jié)果以及分析
    2. 3. 1　方案1:無(wú)“V”形隔板
    當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在50%負(fù)荷時(shí), 1號(hào)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行而2號(hào)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn),機(jī)組周圍的空氣被1號(hào)風(fēng)機(jī)吸入微通道冷凝器內(nèi)部,但同時(shí)也有部分空氣并未經(jīng)過(guò)微通道冷凝器,而是直接通過(guò)阻力較小的2號(hào)風(fēng)機(jī)口進(jìn)入“V”形冷凝器中間區(qū)域,如圖4a所示,這部分空氣耗費(fèi)了一定的電機(jī)功率,但是卻沒(méi)有參與冷凝器的換熱,屬于非有效風(fēng)量。從整個(gè)冷凝器表面的速度分布來(lái)看,離風(fēng)機(jī)距離較遠(yuǎn)的右半冷凝器表面的空氣流速明顯小于左半冷凝器,其數(shù)值大部分都在0. 6m/s以下(見(jiàn)圖4(b))。
               
    2. 3. 2　方案2:有“V”形隔板
    當(dāng)在相鄰的“V”形冷凝器之間設(shè)置一個(gè)隔板后,完全杜絕了右側(cè)風(fēng)機(jī)處的短路流, 1號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)的空氣全部流經(jīng)左側(cè)冷凝器,與微通道冷凝器充分換熱以后,被排向外部。如圖5(b)所示,與方案1相比,方案2中左半冷凝器表面的速度有了明顯的提高,尤其是冷凝器底部的風(fēng)速比方案1時(shí)有了明顯的改善。
             
    2. 3. 3　方案比較
    分別對(duì)兩種方案下空氣流量的分布情況進(jìn)行了比較,如圖6所示,在方案1中,經(jīng)過(guò)1號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量(即總風(fēng)量)為23172m3/h,經(jīng)過(guò)冷凝器的風(fēng)量為19294m3/h;方案2中,經(jīng)過(guò)1號(hào)風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量與經(jīng)過(guò)冷凝器的風(fēng)量相等,都為22385m3/h。
                
    從兩個(gè)方案的比較中發(fā)現(xiàn),通過(guò)設(shè)置“V”形隔板,系統(tǒng)的總風(fēng)量減少了3. 4%左右,但是經(jīng)過(guò)微通道冷凝器,參與換熱的有效風(fēng)量卻提高了16%。這一現(xiàn)象的原因在于:“V”形隔板阻斷了從2號(hào)風(fēng)機(jī)口進(jìn)入的空氣短路流,使得所有流入的空氣必須經(jīng)過(guò)微通道冷凝器,因此經(jīng)過(guò)冷凝器的風(fēng)量得到了提升,但與此同時(shí),空氣流動(dòng)阻力的增加也使1號(hào)風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化,風(fēng)量發(fā)生了衰減。
    3·性能計(jì)算與結(jié)果分析
    為了進(jìn)一步評(píng)估布置“V”形隔板對(duì)于微通道冷凝器部分負(fù)荷時(shí)換熱性能的影響,使用換熱器性能計(jì)算軟件對(duì)這兩個(gè)方案中的微通道冷凝器分別進(jìn)行了計(jì)算和比較。
    3. 1　計(jì)算方法
    兩個(gè)方案下冷凝器性能的計(jì)算,空氣側(cè)采用相同的進(jìn)風(fēng)溫度,管側(cè)采用相同的制冷劑流量和入口過(guò)熱度,冷凝器表面的空氣流速分布以及空氣流量分別取自CFD計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖4(b),圖5(b),圖6),計(jì)算中分別通過(guò)對(duì)制冷劑入口壓力的多次迭代,使得兩個(gè)方案下的制冷劑出口溫度以及冷凝熱相同。迭代收斂后,通過(guò)比較入口壓力(即冷凝壓力)的大小,來(lái)判定兩種方案下冷凝器性能的優(yōu)劣,冷凝壓力越低,則代表其性能越好。
    3. 2　計(jì)算結(jié)果與分析
    通過(guò)對(duì)入口壓力的多次迭代計(jì)算,得到了兩種情況下的冷凝器性能數(shù)據(jù)如表1所示。
              
    通過(guò)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),在保證相同的液相溫度與冷凝熱的情況下,方案2中的冷凝壓力要比方案1中低34. 5kPa,相應(yīng)的飽和溫度低了1. 35℃,因此,方案2中的冷凝器性能要優(yōu)于方案1。原因在于,首先,方案2中經(jīng)過(guò)微通道冷凝器的有效風(fēng)量要比方案1中大16%,其次,雖然方案1中左右兩部分的微通道冷凝器都有空氣流過(guò),都參與了換熱,但是右半冷凝器表面的風(fēng)速非常小,因此空氣側(cè)換熱系數(shù)很低,其對(duì)整體換熱效果的貢獻(xiàn)很小,而方案2中的風(fēng)量都集中于左側(cè)冷凝器,其表面風(fēng)速的整體提高顯著的強(qiáng)化了這一區(qū)域的空氣側(cè)換熱,使其性能優(yōu)于前者。因此,通過(guò)計(jì)算結(jié)果的比較可以發(fā)現(xiàn),設(shè)置“V”形隔板有助于降低冷凝器在部分負(fù)荷時(shí)冷凝壓力,進(jìn)而提高機(jī)組的部分負(fù)荷性能。
    4·結(jié)語(yǔ)
    采用CFD的方法,研究了某一風(fēng)冷冷水機(jī)組用多風(fēng)機(jī)微通道式冷凝器在部分負(fù)荷運(yùn)行的空氣側(cè)流場(chǎng)分布特性,提出了優(yōu)化部分負(fù)載冷凝器性能的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。研究表明,采用“V”型隔板的獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)可以有效的避免氣流短路,提高換熱器表面的氣流分布均勻性,提高迎面風(fēng)速,同時(shí)經(jīng)過(guò)冷凝器的風(fēng)量提高了16%。通過(guò)在換熱器設(shè)計(jì)軟件中這對(duì)兩個(gè)方案的計(jì)算發(fā)現(xiàn),由于采用“V”形隔板的獨(dú)立風(fēng)道,部分負(fù)荷時(shí)的冷凝壓力降低了34. 5Kpa,從而使風(fēng)冷冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能得到了明顯的提升。